(57)【要約】【課題】強誘電性情報保存装置及び方法を提供する。【解決手段】第１の面と第１の面の反対である第２の面とを有する強誘電体層と、強誘電体層の第１の面に形成される共通電極層と、強誘電体層の第２の面に形成され、相互所定間隔を維持する少なくとも二つの導電性トラックレイヤーと、導電性トラックレイヤーにその両側部分が支持されて導電性トラックに沿って移動可能に設けられる導電性ローラーと、導電性ローラーに磁場を形成する強磁性層と、を備える強誘電性情報保存装置。これにより、構造が簡単であって高容量化とこれの製作及びパッケージ化も容易であって、多様な形態の情報保存装置として実現可能であり、特に不揮発性メモリ装置に適する。【選択図】図１
2007066495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面と第１の面の反対である第２の面とを有する強誘電体層と、
前記強誘電体層の第１の面に形成される共通電極層と、
前記強誘電体層の第２の面に形成され、相互所定間隔を維持する少なくとも二つの導電性トラックレイヤーと、
前記導電性トラックレイヤーにその両側部分が支持されて導電性トラックに沿って移動可能に設けられる導電性ローラーと、
前記導電性ローラーに磁場を形成する強磁性層と、を備えることを特徴とする情報保存装置。
【請求項２】
前記ローラーは、ナノチューブであることを特徴とする請求項１に記載の情報保存装置。
【請求項３】
第１の面と第１の面の反対である第２の面とを有する強誘電体層と、
前記強誘電体層の第１の面に形成される共通電極層と、
前記強誘電体層の第２の面に形成され、相互所定間隔を維持する少なくとも二つの導電性トラックレイヤーと、
前記導電性トラックレイヤーにその両側部分が支持されて導電性トラックに沿って移動可能に設けられる導電性ローラーと、
前記導電性ローラーに磁場を形成する強磁性層と、を備える単位素子が複数集積されたことを特徴とする情報保存装置。
【請求項４】
前記ローラーは、ナノチューブであることを特徴とする請求項３に記載の情報保存装置。
【請求項５】
強誘電体層の第１の面上に移動可能な導電性ローラーにローレンツ力を発生させて、前記ローラーを前記強誘電体層上で移動させる段階と、
前記強誘電体層に前記導電性ローラーによって記録情報に対応する所定のパルス電圧を印加して強誘電体層に所定パターンの分極ドメインを形成して、目的とする情報を記録する段階と、
前記強誘電体層に形成される所定パターンの分極ドメインから電気的信号として検出して、前記記録情報を再生する段階と、を含むことを特徴とする情報保存及び再生方法。
【請求項６】
前記ローレンツ力を発生させるため前記導電性ローラーに電流を印加し、同時に導電性ローラーに磁場を形成することを特徴とする請求項５に記載の情報保存及び再生方法。
【請求項７】
前記磁場を形成するために前記強誘電体層の第１の面側に強磁性層を設けることを特徴とする請求項６に記載の情報保存及び再生方法。
【請求項８】
前記記録情報を再生する段階は、
前記導電性ローラーを前記強誘電体層上で移動させながら、強誘電体層に形成される前記分極ドメインによって導電性ローラーのチャネルで、キャリアの密度及び／または移動度を制御する段階と、
前記導電性ローラーに所定の読み取り電圧を印加する段階と、
前記分極ドメインによって制御されるキャリアの密度及び／または移動度によって変化される電流を検出する段階と、を含むことを特徴とする請求項５に記載の情報保存及び再生方法。
【請求項９】
前記読み取り電圧は、パルス電圧であることを特徴とする請求項８に記載の情報保存及び再生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電性情報保存装置に係り、より詳しくは、ナノサイズの導電性ローラーを用いた強誘電性情報保存装置及び情報保存及び再生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の探針型強誘電性情報保存装置は、ＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、ＳＰＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などに用いられるプローブを用いる。プローブは、強誘電性膜に電界を形成して、強誘電膜の分極の方向を調整する（特許文献１参照）。
【０００３】
一般に、プローブを用いる従来の情報保存装置は、強誘電膜を有する記録媒体、この記録媒体に接触又は非接触状態で記録媒体に情報を記録し、これから情報を読み取るプローブ、そしてプローブを作動させるスキャナを備える。スキャナは、プローブが支持されるカンチレバーと、カンチレバーを作動させるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｏｒ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）アクチュエータとを有する。
【０００４】
このような従来の情報保存装置は、プローブとこれを作動させるスキャナとを有しなければならないので、構造が複雑であって高コスト化される欠点を有する。特に、記録媒体が接触された状態で情報が記録／再生される方式の場合、探針と記録媒体の磨耗が発生する。
【０００５】
そして、プローブと記録媒体とが非接触の状態において情報の記録及び再生が行われる方式の場合、プローブと記録媒体との間の距離を一定に維持するための制御回路が必要である。このような制御回路の必要性は、高コストを呼び起こし、特に情報保存装置の小型化を妨害する。
【特許文献１】米国特許第６，８５４，６４８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の技術的課題は、構造が簡単で小型軽量化が可能な強誘電体情報保存装置を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記技術的課題を達成するために、本発明による情報保存装置の一つの類型は、第１の面と第１の面の反対である第２の面とを有する強誘電体層と、前記強誘電体層の第１の面に形成される共通電極層と、前記強誘電体層の第２の面に形成され、相互所定間隔を維持する少なくとも二つの導電性トラックレイヤーと、前記導電性トラックレイヤーにその両側部分が支持されて導電性トラックに沿って移動可能に設けられる導電性ローラーと、前記導電性ローラーに磁場を形成する強磁性層と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
前記技術的課題を達成するために、本発明による情報保存装置の他の類型は、第１の面と第１の面の反対である第２の面とを有する強誘電体層と、前記強誘電体層の第１の面に形成される共通電極層と、前記強誘電体層の第２の面に形成され、相互所定間隔を維持する少なくとも二つの導電性トラックレイヤーと、前記導電性トラックレイヤーにその両側部分が支持されて、導電性トラックに沿って移動可能に設けられる導電性ローラーと、前記導電性ローラーに磁場を形成する強磁性層と、を備える。
【０００９】
前記本発明の情報保存装置において、前記ローラーは、ナノチューブであることが好ましい。
【００１０】
本発明による情報保存及び記録方法は、強誘電体層の第１の面上に移動可能な導電性ローラーにローレンツ力を発生させて、前記ローラーを前記強誘電体層上を移動させる段階と、前記強誘電体層に前記導電性ローラーによって記録情報に対応する所定のパルス電圧を印加して強誘電体層に所定パターンの分極ドメインを形成して、目的とする情報を記録する段階と、前記強誘電体層に形成される所定パターンの分極ドメインから電気的信号として検出して、前記記録情報を再生する段階と、を含む。
【００１１】
本発明の情報保存及び再生方法において、前記ローレンツ力を発生させるため前記導電性ローラーに電流を印加し、同時に導電性ローラーに磁場を形成し、前記磁場を形成するために、前記強誘電体層の第２の面側に強磁性層を設ける。
本発明の情報保存及び再生方法の好ましい実施形態によれば、前記記録情報を再生する段階は、前記導電性ローラーを前記強誘電体層上で移動させながら、強誘電体層に形成される前記分極ドメインによって導電性ローラーのチャンネルで、キャリアの密度及び／または移動度を制御する段階と、前記導電性ローラーに所定の読み取り電圧を印加する段階と、そして前記分極ドメインによって制御されるキャリアの密度及び／または移動度によって変化される電流を検出する段階と、を含み、前記読み取り電圧は、パルス電圧であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、強誘電体層に関する情報の記録及びこれからの情報読み取り方法における独特な方式を取っている。このような本発明の特徴は、構造が非常に簡単であり、特に高容量化が非常に容易であるという点である。また、この製作及びパッケージ化もまた容易である。
【００１３】
このような本発明は、多様な形態の情報保存装置として実現可能であり、特に不揮発性メモリ装置に適する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付した図面に基づき本発明による好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明による情報保存装置の基本的な構造を概略的に示す斜視図である。
図１を参照すれば、強誘電体層１０の底面である第１の面に電極１１が形成され、その上面である第２の面には、二つの並んだ導電性第１、第２のトラックレイヤー１２ａ、１２ｂが設けられる。第１、第２のトラックレイヤー１２ａ、１２ｂ上には、これらに直交する方向に延長された導電性ローラー２０が設けられ、第１、第２のトラックレイヤー１２ａ、１２ｂには、パルス性駆動電圧Ｖ１、Ｖ２が印加される。前記ローラー２０は、前記第１、第２のトラックレイヤー１２ａ、１２ｂによって単純支持ビームの形態に支持され、第１、第２のトラックレイヤー１２ａ、１２ｂ上をローリング運動によって移動できる。前記強誘電体層１０の下方には、前記ローラー２０に磁場を形成する強磁性層３０が設けられる。好ましくは、強磁性層３０は、前記共通電極１１及び前記強誘電体層１０と共にサンドイッチ構造を形成する。前記ローラー２０は、前記強誘電体層１０に対してファンデルワールス力及び静電気力などによって吸着されている状態である。
【００１５】
前記強誘電体層１０の分極の方向は、強誘電体層の第１、第２の面に対して垂直な方向である。前記トラックレイヤー１２ａ、１２ｂには、それぞれ異なるパターンのパルス性駆動電圧Ｖ１、Ｖ２が印加され、この際、前記共通電極１１は接地として作用する。第１のトラックレイヤー１２ａと第２のトラックレイヤー１２ｂとの間に電位が発生すれば、前記ローラー２０には電流が流れ、この時、発生した電流と前記強磁性層３０からの磁場とによってフレミング左手の法則によるローレンツ力が発生する。ローレンツ力の方向は、フレミング左手の法則から磁場と電流の方向によって決定されるが、本実施形態の場合、磁場のＮ極が図面で上側、Ｓ極がその下側に固定されているため、電流の方向によってローレンツ力の方向が決定され、これにより、前記ローラー２０の移動方向が決定される。勿論前記固定された磁極は、その反対になることがある。
【００１６】
前記ローラー２０は、図２に示されているようにメッシュ状の結晶構造を有する導電性ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）、ＣＮＴ（ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏ  Ｔｕｂｅ）などが用いられうる。それ以外に適切な強度及び弾性復元力を有する導電性物質によるローラーも使用可能である。
【００１７】
以下、本発明による情報保存装置の書き込み及び読み取り動作について調べる。
先ず、図３Ａは、書き込み動作時ローレンツ力によってローラー２０がローリング運動を行い、この時、接地側である共通電極１１とローラー２０との電位差によって強誘電体層１０の分極が変化される状態を図式的に示す。前記電位差は、強誘電体層１０の分極反転が行われうる抗電圧（ｃｏｅｒｃｉｖｅ  ｖｏｌｔａｇｅ）以上の値を有さなければならない。ローラー２０の移動のためのローレンツ力は、第１のトラックレイヤー１２ａと第２のトラックレイヤー１２ｂとの電位差があるとき発生し、第１、第２のトラックレイヤー１２ａ、１２ｂ間に電位差がないときには、ローレンツ力が発生しない。この時、第１、第２のトラックレイヤー１２ａ、１２ｂの電位差の有無に関係なく、接地である電極１１と前記ローラー２０との電圧が強誘電体層１０の分極反転に必要な抗電圧以上であれば、強誘電体層１０に印加された電界方向によって強誘電体層１０の分極方向が決定される。このような書き込み動作については、後にタイミングチャートと共に再び説明される。
【００１８】
図３Ｂは、電極１１とローラー２０との容量力（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｆｏｒｃｅ）、すなわち静電気力によってローラーが曲がり、従ってローラー２０の中間部分が強誘電体層１０に接触された状態を示す。強誘電体層の分極反転は、ローラー２０が接触された部分で起こる。また、強誘電体層の分極反転は、トラックレイヤー１２ａ、１２ｂの下部でも起こり、トラックレイヤー１２ａ、１２ｂの間のローラー２０が接触されない部分ではギャップのサイズ、厳密に言うと、この部分でのキャパシタンスのサイズによって分極されることもある。もしギャップが非常に狭く、キャパシタンスが十分に大きく、この部分での電圧降下が少なければ、この部分でも、分極反転が起こりうる。
【００１９】
図３Ｃは、本発明による情報保存媒体で磁場Ｂと電流Ｉの流れとによるローレンツ力Ｆの方向を示す平面図である。ローレンツ力Ｆは、磁場と磁場とを貫通する電流が存在するとき示されるため、第１のトラックレイヤー１２ａと第２のトラックレイヤー１２ｂとの間に電位差が存在しなければならない。このように電位差が存在するときには、ローラー２０のローリング運動によって移動が行われ、これと同時に、共通電極との電位差が分極反転に必要な抗電圧以上であれば、ローラー２０が移動する途中に情報の記録が行われる。
【００２０】
前記の内容を総合して見れば、トラックレイヤー間の電位差によってローラーの移動が行われ、この時、共通電極と前記トラックレイヤー又はローラー間の電位差が抗電圧以上であり、情報の記録が行われる。情報の記録は、強誘電体層の分極方向の選択に行われ、このような方向は、トラックレイヤーと共通電極の極性によって決定される。従って、共通電極が接地状態であれば、前記トラックレイヤーに印加される電圧Ｖ１、Ｖ２は、ＡＣパルス性電圧である。
【００２１】
強誘電体層１０の下方にある強磁性層３０は、電流が流れる前記導電性ローラー２０に対して磁場を形成する。従って、前記強磁性層３０による磁場と前記ローラー２０に流れる電流とによってローレンツ力を発生し、結果的に前記ローラー２０を一方向に移動させる。
【００２２】
以下の式は、滑り及びスティクションがない理想的な条件で、質量がｍ、長さがＬであるローラーの磁場Ｂ内での電気的エネルギーと運動エネルギーとの関係を示す。
【００２３】
【数１】
2007066495.tif 000003
【００２４】
従って、前記の理想的な条件の計算によれば、パルス性電流Ｉ１２によって、ローラーは等速運動を行い、これを停止させるためには、反対極性のパルス性電流−Ｉ１２を印加すればよい。
【００２５】
Ｍ．Ｒ．Ｆａｌｖｏらの研究（Ｍ．Ｒ．Ｆａｌｖｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ−ｓｃａｌｅ  ｒｏｌｌｉｎｇ  ａｎｄ  ｓｌｉｄｉｎｇ  ｏｆ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，”Ｎａｔｕｒｅ  ３９７，ｐｐ．２３６−２３８）によれば、力Ｆすなわち、ＩＬＢは、０．００６Ｎ／ｍ＊Ｌであり、シリンダーのローリング運動が起こるが、Ｂ．Ｑ．Ｗｅｉらの研究（Ｂ．Ｑ．Ｗｅｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ  ａｎｄ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃａｒｒｙｉｎｇ  ｃａｐａｃｉｔｙ  ｏｆ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７９（８），ｐｐ．１１７２−１１７４（２００１））によれば、ナノチューブ（シリンダー）などのローラーに１０．ｍＡ程度の電流誘起が可能であり、この時、磁場は、０．７Ｔであって電流と磁場との積ＩＢは、０．００７である。従って、１０ｍＡ程度の電流にローラーを動かせる。
【００２６】
以下、図４に例示されたタイミングチャートを用いて強誘電体膜の分極反転、すなわち、情報の書き込み動作について説明する。
【００２７】
先ず、書き込みパターンで暗い部分と明るい部分は、相異なる方向の分極ドメイン（領域）を示す。このようなパターン、すなわち、記録情報を得るために、先ず第１のトラックレイヤー１１ａに第１の電圧ＶＬのパルスが印加されれば、接地状態の第２のトラックレイヤー１１ｂとの間に電流Ｉ１２が誘起され、従ってローレンツ力によってローラー２０は、一定した速度を得て等速運動を行う。ローラー２０を起動するための電圧は、強誘電体層の分極反転に必要な抗電圧より低くしなければならない。これは、摩擦やスティクションなどの損失がない理想的な条件を前提にする。
【００２８】
ローラー２０が運動する間、前記第１の電圧ＶＬの最初のパルスに次いで、抗電圧以上のパルス電圧ＶＨが第１、第２のトラックレイヤー１１ａ、１１ｂに共に供給される。この時、第１、第２のトラックレイヤー１１ａ、１１ｂ間の電位差がないため、電流Ｉ１２はゼロであり、従ってローラーの運動に影響を与えない。しかしながら、強誘電体層１０には、スレショルド電圧以上の電圧ＶＨが印加されて、強誘電体層１０に電気力線方向に対応する方向の分極ドメインが形成される。そして、これにより、反対極性のパルス性電圧−ＶＨが第１、第２のトラックレイヤー１１ａ、１１ｂに印加されれば、強誘電体層１０は、他の方向に分極されたドメインが形成される。このような形態でパルス電圧を印加することによって、強誘電体層に図４に示されているようなパターンの分極ドメインを形成できる。最終的に、ローラー２０の起動のために印加されていた最初のパルス電圧ＶＬのようなレベルのパルス電圧ＶＬを第２のトラックレイヤー１１ｂに印加すれば、ローラー２０が進行していた方向に反対方向のローレンツ力が発生してローラー２０が停止する。また、もう一度反対極性のパルスを印加すれば、ローラー２０の元来の位置に復帰する。
【００２９】
本発明による情報保存装置の一つの他の特徴は、記録された情報を読み出すとき、強誘電体層の分極反転のために用いられたローラー２０がキャリアの密度及び／または移動度の制御がなれる通電チャネルとして作用する。このとき、ローラー２０が回転移動しながら、強誘電体層に接触されるその中央部分で、強誘電体層の分極ドメインによって一側に縮退された空乏層が形成される。すなわち、図５Ａと図５Ｂとに示されているように、本発明の情報保存装置の読み取り動作では、前記ローラー２０がキャリアチャンネルとして作用し、前記強誘電体層１０は、キャリアの密度及び／または移動度を制御するゲートとしての役割を果たす。そして、ローラー２０の両端が支持される第１、第２のトラックレイヤーは、トランジスタでのソースとドレーンの役割を果たす。従って、ローラー２０に接した強誘電体層１０の分極状態によって、電流Ｉ１２がハイ又はロー状態に制御される。
【００３０】
以下では、図６のタイミングチャートを用いて、前記のような方法で記録されたパターンから電気的信号を再生する情報読み取り過程が説明される。
【００３１】
第１のトラックレイヤー１１ａにローラー２０を駆動するためのパルス電圧が印加されれば、ローラー２０は、所定パターンに分極が形成された領域を移動する。この時、第１のトラックレイヤー１１ａに所定電圧の短周期の読み取りパルスを持続的に印加する。この時、第２のトラックレイヤー１１ｂは、接地状態であり、従って第１、第２のトラックレイヤー間に電位差によるパルス性電流Ｉ１２が誘起される。この時、ローラー２０を通過する電流の量は、分極ドメインの分極方向によって変化する。すなわち、図５に図式的に示すようにパルス電流の大きさは、分極ドメインの分極方向によって変化し、この大きさの差が情報のビット信号によって表現される。このようなビットの分類は、基準パルス電流の値を基準に行わた場合、例えば基準値より高い電流が検出されれば“１”、それより低ければ“０”値を得る。
【００３２】
前記のような本発明の情報保存装置を基本ユニットとして用いて、これを複数集積したアレイの形態を構成すれば、高容量の情報保存装置を実現できる。
【００３３】
図７Ａに示されているように、１８０ｎｍ＊１８０ｎｍ面積の基本ユニットに、９０ビットの情報を記録すると仮定すれば、約１．８Ｔｂ／ｉｎ２の情報記録量を実現できる。この時、強誘電体層は、１．２ｎｍ厚さのＰｂＴｉＯ３フィルムを用い、ローラーとしては２ｎｍ径のカーボンナノチューブを用いる。図７Ｂに示されているように、前記のような基本ユニットを多重に８層を積層すれば、約１４Ｔｂ／ｉｎ２の保存容量を得ることができる。
【００３４】
図８は、ローラーとして用いられるナノチューブとこれに接触される強誘電体層の電場分布シミュレーション結果を示す。図８を見ればナノチューブの周囲に強く電界が形成され、ナノチューブの直下部（両点線内側）に分極反転に必要十分な電界が形成されることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、  強誘電性情報保存装置及び情報保存／再生方法を、例えば、情報記録に関連した技術分野に効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による情報保存装置の一実施形態を示す図面である。
【図２】本発明による情報保存装置に使用できるナノチューブの一例を示すイメージである。
【図３Ａ】本発明による情報保存方法を説明する図面である。
【図３Ｂ】本発明による情報保存方法を説明する図面である。
【図３Ｃ】本発明による情報保存方法を説明する図面である。
【図４】本発明による情報保存方法を説明するタイミングチャートである。
【図５Ａ】本発明による情報保存装置から情報を読み出す原理を説明する図面である。
【図５Ｂ】本発明による情報保存装置から情報を読み出す原理を説明する図面である。
【図６】本発明による情報再生方法を説明するタイミングチャートである。
【図７Ａ】本発明による情報保存装置の構成例を例示する概略図である。
【図７Ｂ】本発明による情報保存装置の他の構成例を例示する概略図である。
【図８】本発明による情報保存装置で、ローラーとして用いられるナノチューブとこれに接触される強誘電体層の電場分布シミュレーション結果を示す図面である。
【符号の説明】
【００３７】
１０        強誘電体層
１１        電極
１２ａ、１２ｂ    第１、第２のトラックレイヤー
２０    ローラー
３０    強磁性層
【図１】
2007066495.tif 000004
【図３Ａ】
2007066495.tif 000005
【図３Ｂ】
2007066495.tif 000006
【図３Ｃ】
2007066495.tif 000007
【図４】
2007066495.tif 000008
【図５Ａ】
2007066495.tif 000009
【図５Ｂ】
2007066495.tif 000010
【図６】
2007066495.tif 000011
【図７Ａ】
2007066495.tif 000012
【図７Ｂ】
2007066495.tif 000013
【図２】
2007066495.tif 000014
【図８】
2007066495.tif 000015